CN101950764A - 一种带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池 - Google Patents

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韦进全
白曦
曹安源
舒勤科
朱宏伟
王昆林
桂许春
李祯
李培旭
郭宁
庄大明
张弓
刘文今
骆建彬
王志诚
吴德海
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Abstract

一种带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池，属于太阳能电池和纳米材料应用技术领域。所述太阳能电池从下至上依次包括下电极、硅片、绝缘层、碳纳米管薄膜层和透明封装层以及上电极，其绝缘层呈环状结构，设置在硅片上方，碳纳米管薄膜连续地覆盖在绝缘层和硅片上方，在环状绝缘层和硅片所构成的凹槽内填充有酸溶液。本发明所提供的太阳能电池在太阳能模拟器的标准光源(AM1.5，100mW/cm2)下测试，其转换效率可达到13.8％，较碳纳米管/硅异质结太阳能电池(7.4％)和碳纳米管/硅纳米线混合太阳能电池的转换效率(1.29％)有了大幅度的提高；而且制造工艺简单，成本较低。

Description

一种带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能电池及其制备技术，属于太阳能电池和纳米材料应用技术领域。
背景技术
在全球不断关注能源、环境，呼吁可持续发展的今天，太阳能作为重要的清洁、可再生能源而备受关注。当前市场上的太阳能电池主要以硅基为主，硅材料成本高以及硅电池加工工艺复杂，是制约硅基太阳能电池广泛应用的主要原因。
近年来，纳米技术有了突飞猛进的发展，碳纳米管作为重要的纳米材料，在太阳能电池领域中发挥了重要的作用。Landi BJ等人(Landi BJ et al.，Prog.Photovoltaics，2005，13：165-172)将单壁碳纳米管与聚三辛基噻吩共混，所测得的太阳能电池开路电压为0.98V，短路电流为0.12mA/cm2，电池转换效率小于1％。此类太阳能电池是将碳纳米管与聚合物共混，构成太阳能电池。由于聚合物的电导率较低，太阳能电池的效率较低，又由于聚合物容易发生衰减，故此类电池还存在空气中稳定性的问题。
为了解决聚合物所存在的以上两个问题，2007年以来，Jia Y和Wei JQ等人发明并改进了碳纳米管/硅异质结太阳能电池，获得了国家发明专利，并在国际期刊发表论文[专利号：ZL200610169827.0；Wei JQ et al.，Nano letters 2007，7，2317-2321；Jia Y，et al.，Advanced materials 2008，20，4594-4598]，其转换效率可达7.4％。Li ZR等人[Li ZR，et al.，ACS Nano 2009，3，1407-1414]，在碳纳米管/硅异质结太阳能电池结构的基础上，通过氯化亚砜对碳纳米管进行化学修饰，待氯化亚砜干燥后，太阳能电池转换效率从最初的2.7％提升至4.5％。在以上方法中，通过化学处理的方法对碳纳米管进行修饰，从而提高了碳纳米管在此模型中的作用，因此提高了电池的转换效率。但是应用于此类电池的碳纳米管薄膜为网状多孔结构，构成薄膜的碳纳米管管束之间存在着孔隙，文献中[Wei JQ，et al.，Adv.Mater.2006，18，1695-1700]报道单层的碳纳米管薄膜其孔隙率达75％，因此在此类电池中碳纳米管与硅片的接触面积小，从而降低了电池的光电转换效率。
Shu QK等人[Shu QK，et al.，Nano Letters，2009，9，4338-4342]对商品化的硅片进行后处理，通过化学方法在硅片上刻蚀出硅纳米线阵列，在其上覆盖碳纳米管薄膜，在硅纳米线阵列间填充电解质，构成碳纳米管/硅纳米线混合太阳能电池。在此电池中，光生载流子主要通过硅纳米线产生，经过刻蚀的硅片上的硅纳米线面积只占硅片实际面积的25％～50％，因此其可供吸收太阳光、产生光电效应的面积有限，从而降低了电池效率，此电池转换效率为1.29％。又因为在此模型中需要将商品化的硅片进行后处理，通过化学的方法刻蚀出硅纳米线，因此操作工艺相对复杂。
发明内容
本发明的目的是提出一种带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池，旨在进一步提高该类型的太阳能电池的转换效率，同时降低产品的成本。
本发明的技术方案如下：
一种带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池，该太阳能电池从下至上依次包括下电极、硅片、绝缘层、碳纳米管薄膜层和透明封装层以及上电极，其特征在于：所述的绝缘层呈环状结构，设置在硅片上方，碳纳米管薄膜连续地覆盖在绝缘层和硅片上方，在环状绝缘层和硅片所构成的凹槽内填充有酸溶液。
上述技术方案中，所述的酸溶液优选采用硝酸或硫酸的水溶液。所述的硝酸或硫酸水溶液的浓度为0.01～1mol/L。
本发明的另一技术特征在于：所述的碳纳米管薄膜层厚度为50～200nm；所述的硅片为n型硅片。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明中碳纳米管薄膜直接与硅片相接触，在环状绝缘层和硅片所构成的凹槽内填充有酸溶液，因为所使用的碳纳米管薄膜为网状多孔结构，因此酸溶液会渗透通过碳纳米管薄膜层，同时与硅片以及碳纳米管相接触。在此电池中，硅片吸收太阳光产生光生载流子，硅片与碳纳米管相接触的部分构成异质结，这部分硅片所产生的光生载流子在此异质结中拆分，空穴直接通过碳纳米管导出，为外电路供电；在碳纳米管薄膜孔隙处的硅片所产生的光生载流子，通过酸溶液，也将电荷传到碳纳米管，进而传至外电路。在此模型中，无论在与碳纳米管相接触的硅片处，还是碳纳米管薄膜的孔隙处，硅片所产生的光生载流子均得到有效的拆分进而传导至外电路，因此提高了电池的转换效率。同时由于本发明所采用的为硅片材料，其与碳纳米管可以构成良好的接触，更重要的是作为吸收太阳光产生光生载流子的硅片，其有效面积等于电池的面积，即在电池的任何位置均可吸收太阳光产生光生载流子，从而有效的利用了入射电池的光能，进而提高电池的转换效率。本发明所采用的硅片为直接购买的商品化硅片，不需要化学刻蚀绒面、硅纳米线等加工工艺，因此制造工艺简单、成本低廉。通过此方法所制备的太阳能电池，在太阳能模拟器的标准光源(AM1.5，100mW/cm2)下测试，其转换效率可达到13.8％，较碳纳米管/硅异质结太阳能电池(7.4％)和碳纳米管/硅纳米线混合太阳能电池的转换效率(1.29％)有了大幅度的提高。
附图说明
图1为本发明提供的一种带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池的结构示意图。
图中：1-透明封装层；2-酸溶液；3-碳纳米管薄膜层；4-上电极；5-绝缘层；6-硅片；7-下电极。
图2为电池中所使用的碳纳米管薄膜的扫描电镜照片。
图3为以0.5mol/L硝酸溶液为酸溶液，在标准光源(AM1.5，100mW/cm2)下测试的电流密度-电压曲线(实施例1)。
图4为以0.01mol/L硫酸溶液为酸溶液，在标准光源(AM1.5，100mW/cm2)下测试的电流密度-电压曲线(实施例2)。
图5为以1mol/L硝酸溶液为酸溶液，在标准光源(AM1.5，100mW/cm2)下测试的电流密度-电压曲线(实施例3)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明一种带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池结构示意图，该太阳能电池从下至上依次包括下电极7、硅片6、绝缘层5、碳纳米管薄膜层3和透明封装层1以及上电极4；绝缘层5呈环状结构，设置在硅片6的上方，碳纳米管薄膜层3连续地覆盖在绝缘层和硅片的上方，在环状绝缘层和硅片所构成的凹槽内填充有酸溶液2；酸溶液一般采用硝酸或硫酸的水溶液，摩尔浓度为为0.01～1mol/L。碳纳米管薄膜层3的厚度一般为为50～200nm。硅片6采用n型硅片。
本发明的制备工艺如下：
1)在n型硅片表面通过热氧化的方法制备出热氧化层，热氧化层作为电池中的绝缘层；
2)采用光刻工艺，腐蚀掉硅片下表面的热氧化层，同时腐蚀掉硅片上表面中心区的热氧化层，露出硅的纯净表面，从而在硅片上表面得到环状的绝缘层(未被腐蚀的热氧化层)以及硅的洁净表面(腐蚀掉中心区氧化层后所露出的硅表面)；
3)在硅片的下表面蒸镀金属层，金属层与硅片下表面形成良好的欧姆接触，作为下电极；
4)在硅片上表面覆盖碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜与硅片构成异质结太阳能电池；
5)在碳纳米管上表面滴加酸溶液，构成带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池。
6)在碳纳米管和酸溶液上，覆盖透明材料进行封装。
实施例1
1)在n型硅片表面通过热氧化的方法制备出厚度为300nm的热氧化层；
2)采用光刻工艺，腐蚀掉硅片下表面的热氧化层，同时腐蚀掉硅片上表面中心区的热氧化层，露出硅的纯净表面；
3)在硅片的下表面蒸镀Ti/Au层，与硅片表面形成良好的欧姆接触，作为下电极；
4)在硅片上表面覆盖50nm厚的双壁碳纳米管薄膜，与硅片构成异质结太阳能电池；
5)在碳纳米管上加入0.5mol/L硝酸溶液，构成带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池；
6)在碳纳米管和酸溶液上，覆盖聚二甲基硅氧烷(PDMS)层对电池进行封装；
7)在标准光源(AM1.5，100mW/cm2)下测试，电池转换效率为13.8％。
实施例2
1)在n型硅片表面通过热氧化的方法制备出厚度为100nm的热氧化层；
2)采用光刻工艺，腐蚀掉硅片下表面的热氧化层，同时腐蚀掉硅片上表面中心区的热氧化层，露出硅的纯净表面；
3)在硅片的下表面蒸镀Ti/Pd/Ag层与硅表面形成良好的欧姆接触，作为下电极；
4)在硅片上表面覆盖200nm厚的单壁碳纳米管薄膜，与硅片构成异质结太阳能电池；
5)在碳纳米管上滴加0.01mol/L硫酸溶液，构成带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池；
6)在碳纳米管和酸溶液上，覆盖玻璃对电池进行封装；
7)在标准光源(AM1.5，100mW/cm2)下测试，电池转换效率为11.1％。
实施例3
1)在n型硅片表面通过热氧化的方法制备出厚度200nm的热氧化层；
2)采用光刻工艺，腐蚀掉硅片下表面的热氧化层，同时腐蚀掉硅片上表面中心区的热氧化层，露出硅的纯净表面；
3)在硅片的下表面蒸镀Ti/Au层，与硅片表面形成良好的欧姆接触，作为下电极；
4)在硅片上表面覆盖100nm厚的多壁碳纳米管薄膜，与硅片构成异质结太阳能电池；
5)在碳纳米管上滴加1mol/L硝酸酸溶液，构成带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池；
6)在碳纳米管和酸溶液上，覆盖聚二甲基硅氧烷(PDMS)层对电池进行封装；
7)在标准光源(AM1.5，100mW/cm2)下测试，电池转换效率为13.2％。

Claims (5)

1.一种带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池，该太阳能电池从下至上依次包括下电极(7)、硅片(6)、绝缘层(5)、碳纳米管薄膜层(3)和透明封装层(1)以及上电极(4)，其特征在于：所述的绝缘层呈环状结构，设置在硅片上方，碳纳米管薄膜连续地覆盖在绝缘层和硅片上方，在环状绝缘层和硅片所构成的凹槽内填充有酸溶液(2)。
2.按照权利要求1所述的一种带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池，其特征在于：所述的酸溶液为硝酸或硫酸的水溶液。
3.按照权利要求2所述的一种带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池，其特征在于：所述的硝酸或硫酸水溶液的浓度为0.01～1mol/L。
4.按照权利要求1、2或3所述的一种带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池，其特征在于：所述的硅片为n型硅片。
5.按照权利要求4所述的一种带有酸溶液的碳纳米管-硅构成的太阳能电池，其特征在于：所述的碳纳米管薄膜层厚度为50～200nm。
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